4.12. Шұсқ-ы қолданып, апаттық күштеме бойынша скқ-ы есептеу

СКҚ-ы апаттық күштеме ұңғымаға сорапты түсіру немесе жұмыс процесінде штанганың жыртылыс жағдайында туындайды:

Р_қ.ав=Р_құб+Р_ш.с+Р_с+Р_{і ш}, (4.68)

мұндағы, Р_құб – құбырдың сұйықтыққа батырылуын ескермеген кездегі салмағы; Р_ш.с – штанганың сұйықтыққа батырылуын ескергендегі салмағы; Р_с – құбырдағы сұйықтық бағанының салмағы; Р_іш – жыртылған штанга тізбегінің массасынан инерция күші.

СКҚ-ң тізбек салмағы анықталады:

Р_құб=L_құб q­_құб g, (4.69)

мұндағы, L_құб – СКҚ тізбегінің ұзындығы;q­_құб – жалғастырғышты ескергендегі СКҚ-ң п.м массасы; g – еркін түсу үдеуі.

Егер сораптың динамикалық деңгей асты үлкен тереңге түсуі қарастырылса, онда сұйықтықтағы жеңілдеуін ескеру қажет:

Р_құб=L_құб1 q­_құб g+=L_құб2 q­_құб g[1-ρ_c/ ρ_құб], (4.70)

мұндағы, L_құб2 – динамикалық деңгейден төмен СКҚ-ң тізбек бөлімінің ұзындығы.

Сұйықтықтағы штанганың салмағы:

Р_ш.с=L_ш q­_ш g[1-ρ_c/ ρ_шт], (4.71)

мұндағы, L_ш – штанга тізбегінің ұзындығы; q_ш штанга тізбегінің 1 м массасы; ρ_шт –штанга материалының тығыздығы.

Құбырдағы сұйық бағанының салмағы:

Р_с=0,785d² L_ш ρ_c g, (4.72)

мұндағы, d – СКҚ-ң ішкі диаметрі.

Штангалар тізбегінің үзілген кездегі пайда болатын инерция күші құлау үдеуі бойынша анықталады:

, (4.73)

мұндағы, f_ш – штанганың көлденең қимасының ауданы; g_ш – штангалардың құлау үдеуі (g=3-6 м/с²).

Штангалардың үзіліп құлауы кезінде құлау үдеуі 9,81 м/с²-қа жетуі мүмкін, бірақ СКҚ-дағы орнаған сұйықтың статикалық режиміне байланысты болады да, құлау кезіндегі пайда болатын күшті амортизациялайды. Сондықтан, олардың құлау кезіндегі үдеу шамасын 3-6 м/с²-қа тең етіп алады.

Есептеулерден алынған апаттық жүктемені есептік шектік жүктемемен салыстырамыз:

(4.74)

мұндағы, n=1,1-1,15.

4.13. СКҚ-ны циклдік жүктемеге есептеу

ШҰСҚ-ның жұмыс істеу кезінде СКҚ-ға циклдік жүктемелер әсер етеді. Осыған байланысты құбырлар жону жүктемесі мен төзімділікке тексеріледі.

Құбырдағы циклдік жүктеме, штанганың жоғарғы жүрісі кезіндегі сұйық бағанасының бөлігі плунжермен қабылданады да, ал төменгі жүрісі кезінде – толығымен құбырлардың өзімен қабылданады.

Осыған қарай, құбырдағы максималды жүктеме штанганың төмен жүрісі кезінде, минималды мәні – жоғарғы жүрісі кезінде болады:

Р_{max құб}= Р_құб.с+ F_құб.і Р_и+ Р_ƒ.т;

Р_{min құб}= Р_құб.с+( F_құб.і - F) Р_и - Р_ƒ.ж, (4.75)

мұндағы, Р_құб.с – динамикалық деңгей астына батырылған құбырдың салмағы; F_құб.і – құбырдың ішкі каналының қимасының ауданы; Ғ– плунжердің көлденең қимасының ауданы; Р_и – сұйықтық бағанының қысымы; Р_ƒ.т, Р_ƒ.ж – сәйкесінше штанганың төменге және жоғарыға жүрісі кезіндегі үйкеліс күштері. Оның мәні сұйықтағы штанга салмағының 3%-на тең деп қабылданады.

Құбырдағы сұйық бағанының қысымы:

Р_и= L_с ρ_c g, (4.76)

мұндағы, L_с – сораптың түсіру тереңдігі; ρ_с – сұйықтың тығыздығы.

Негізгі жазықтықтағы бұрандалы байланыстағы құбырдың жоғарғы қимасындағы максималды және минималды кернеулер есептеледі:

σ_max= Р_{max құб} / Ғ_б; σ_min= Р_{min құб}/ Ғ_б, (4.77)

мұндағы, Ғ_б – негізгі жазықтықтағы бұрандалы байланыстағы жоғарғы құбырдың көлденең қимасының ауданы. Қабырғалы сынақ нәтижесі бойынша симметриялы цикл (σ_-1) кезінде құбыр материалының төзімділік шегін біле тұра, циклдік жүктеменің беріктік қорын анықтаймыз:

n= σ_-1 / (k_σ)_dσ_a+φ_σσ_m. (4.78)

мұндағы, σ_-1 – созылу-сығылу симметриялы цикл кезіндегі коррозиялы белсенді ортадағы сынақтар кезінде анықталған құбыр материалының төзімділік шегі; (k_σ)_d – кернеу концентрациясын, масштабты факторды және бөлшектің беттік жағдайын ескеретін коэффициент:

(k_σ)_d=k_σ/ε_σβ_σ; σ_а=σ_max- σ_min/2,

мұндағы σ_а – ассиметриялық циклдың кернеу амплитудасы; σ_m =(σ_max+ σ_min)/2 – ассиметриялық циклдің орташа кернеуі; φ_σ – кернеу сипаттамасы мен материалдың қасиетін ескеретін коэффициент. Ол σ_в=370-550 МПа материалдары үшін 0,07 – 0,09, ал σ_в=650-750 МПа материалы үшін φ_σ =0,11 -0,14 тең.

Есептелген беріктік қоры n=1,3-тен төмен болмауы қажет.

(4.78) формуласы бойынша есептегенде төзімділік шегі коррозиялы-белсенді ортадағы (негізінде – теңіз суы) стандартты тегіс үлгіге қатысты анықталатынын ескеру керек.

Құбыр материалы беріктік «Д» категориясы үшін берілгендер бойынша ауа үшін σ_-1=300 МПа және теңіз суы үшін σ_-1=160 МПа мәндері қабылданады.

СКҚ үшін (К_σ)_d= К_σ/(ε_σβ_σ) коэффициенті анықталмаған.

МЕмСТ 631 бойынша бұрандалы байланысты бұрғылау құбырлары үшін берілгендерді қолданайық. Арнайы анықтамалық кестеге сәйкес диаметрі 73,89 мм болаттан жасалған σ_құб =50 кг/мм² құбыр үшін (К_σ)_d=6; диаметрі 140 мм «Д» σ_құб =38 кгс/мм² құбыр үшін (К_σ)_d яғни, ағу шегі өскен сайын (К_σ)_d да өседі. Осындай тенденция құбыр денесі үшін де белгіленеді; диаметрі 60 мм және 140 мм «Д» құбыр үшін (К_σ)_d=2,6 , диаметрі 140 мм σ_құб =50 кгс/мм құбыр үшін (К_σ)_d=3,4 . Осылайша, диаметрі 73 мм тегіс СКҚ-ң бұрандалы байланысы үшін (К_σ)_d=4,4 – 4,5-ке тең болады.

φ_σ коэффициенті σ_в =650-1000 МПа үшін 0,1-ге, ал σ_в =1000-1200 МПа үшін - φ_σ=0,2-ге тең болады.

5-есеп. Диаметрі 73x5,5 мм тегіс СКҚ-ын 1450 м тереңдікке түсіргендегі циклдік жүктемесінің беріктік қорын анықтау керек, егер диаметрі 19 мм штангалы НГВ-43 қондырмалы қорап ұңғымаға түсірілсе және динамикалық деңгейі 1200 м, сорап құйрықшасы 50 м, ал ρ_с =850 кг/м³-қа тең болса.

Шешімі: Алдынғы тапсырманың формуласы бойынша мынаны анықтаймыз:

Р_құб.с=1200·9,5·9,81+250·9,5·9,81[1 – 850/7850]=132610 H.

(4.71) формуласымен:

Р_ш.с=1400·2,35·9,81[1 – 850/7850]=28780 H.

Құбырдағы сұйық бағанының қысымын (4.76) формуласымен:

Р_и= L_с ρ_c g=(1450 - 50)850·9,81=11674 кН/м².

Құбырдың ішкі каналының көлденең қимасының ауданы:

Ғ_құб.і=0,785d²=0,785*62²·10^-6=3,017·10^-3 м².

Плунжердің ауданы:

Ғ=0,785*43²·10^-6=1,451·10^-3 м².

(4.75) формуласына есептелген мәндерді қойып, Р_{max құб} мен Р_{min құб} табамыз P_f=0,03F_ш.с деп алып:

Р_{max құб}=13610+3,017·10^-3·11674·10^-3+0,03·11674·28780=

=168693 H=168,6 кН;

Р_{min құб}=13610+(3,017 – 1,451) ·10^-3·11674·10^-3-0,03·28780=

=150028 H=150,0 кН.

Негізгі жазықтықтағы бұранда бойынша құбырдың көлденең қимасының ауданы:

Ғ_б=0,785[(D–2h₁)² – d²]=0,785[(73–2·1,41)²–62²]10^-6=

=848,6·10^-6 м².

(4.77) формуласы бойынша σ_max мен σ_min табамыз, одан соң σ_m мен σ_а мәндері анықталады:

σ_max=168693/848,6·10^-6 =198,8·10⁶ Н/м²=198,8 МПа;

σ_min=150028/848,6·10^-6 =176,8·10⁶ Н/м²=176,8 МПа;

σ_m=198,8+176,8/2=187,8 МПа;

σ_а=198,8 – 176,8/2=11,0 МПа.

Циклдік жүктеме бойынша беріктік қорын (4.78) формуласымен (k_σ)_g=4,5 және φ_σ=0,1-ге тең деп алып келесі мәнді анықтаймыз:

n=160/4,5·11,0+0,1·187,8=2,34>1,3.

Сонымен, таңдалған СКҚ циклдік жүктемелер бойынша едәуір беріктік қорына ие болады.